实时时钟DS1302详细介绍

来源于：http://www.51hei.com/bbs/dpj-22465-1.html

     在前面的课程中我们已经了解到了不少关于时钟的概念，比如我们用的单片机的主时钟是11.0592M、I2C总线有一条时钟信号线SCL等，这些时钟本质上都是一个某一频率的方波信号。那么除了这些在前面新学到的时钟概念外，还有一个我们早已熟悉的不能再熟悉的时钟概念——年-月-日 时:分:秒，就是我们的钟表和日历给出的时间，它的重要程度我想就不需要多说了吧，在单片机系统里我们把它称作实时时钟，以区别于前面提到的几种方波时钟信号。实时时钟，有时也被称作墙上时钟，很形象的一个名词，对吧，大家知道他们讲的一回事就行了。本章，我们将学习实时时钟的应用，有了它，你的单片机系统就能在漫漫历史长河中找到自己的时间定位啦，可以在指定时间干某件事，或者记录下某事发生的具体时间，等等。除此之外，本章还会学习到C语言的结构体，它也是C语言的精华部分，我们通过本章先来了解它的基础，后面再逐渐达到熟练、灵活运用它，你的编程水平会提高一个档次哦。

15.1 BCD码的学习        

      在我们日常生产生活中用的最多的数字是十进制数字，而单片机系统的所有数据本质上都是二进制的，所以聪明的前辈们就给我们创造了BCD码。
        BCD码(Binary-Coded Decimal)亦称二进码十进制数或二-十进制代码。用4位二进制数来表示1位十进制数中的0~9这10个数字。是一种二进制的数字编码形式，用二进制编码的十进制代码。BCD码这种编码形式利用了四个位元来储存一个十进制的数码，使二进制和十进制之间的转换得以快捷的进行。我们前边讲过十六进制和二进制本质上是一回事，十六进制仅仅是二进制的一种缩写形式而已。而十进制的一位数字，从0到9，最大的数字就是9，再加1就要进位，所以用4位二进制表示十进制，就是从0000到1001，不存在1010、1011、1100、1101、1110、1111这6个数字。BCD码如果到了1001，再加1的话，数字就变成了00010000这样的数字了，相当于用了8位的二进制数字表示了2位的十进制数字。关于BCD码更详细的介绍请点击www.51hei.com的基础教程栏目里面有很多相关文章.
       BCD码的应用还是非常广泛的，比如我们这节课要学的实时时钟，日期时间在时钟芯片中的存储格式就是BCD码，当我们需要把它记录的时间转换成可以直观显示的ASCII码时（比如在液晶上显示），就可以省去一步由二进制的整型数到ASCII的转换过程，而直接取出表示十进制1位数字的4个二进制位然后再加上0x30就可组成一个ASCII码字节了，这样就会方便的多，在后面的实际例程中将看到这个简单的转换。
15.2 SPI时序初步认识        

        UART、I2C和SPI是单片机通信中最常用的三种通信协议。前边我们已经学了UART和I2C通信协议，这节课我们来学习剩下的SPI通信协议。SPI是英语Serial Peripheral Interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI是一种高速的、全双工、同步通信总线，标准的SPI也仅仅使用4个引脚，常用于单片机和EEPROM、FLASH、实时时钟、数字信号处理器等器件的通信。SPI通信原理比I2C要简单，它主要是主从方式通信，这种模式通常只有一个主机和一个或者多个从机，标准的SPI是4根线，分别是SSEL(片选，也写作SCS)、SCLK(时钟，也写作SCK)、MOSI(主机输出从机输入Master Output/Slave Input)和MISO(主机输入从机输出Master Input/Slave Output)。
       SSEL：从设备片选使能信号。如果从设备是低电平使能的话，当拉低这个引脚后，从设备就会被选中，主机和这个被选中的从机进行通信。
        SCLK：时钟信号，由主机产生，和I2C通信的SCL有点类似。
        MOSI：主机给从机发送指令或者数据的通道。
        MISO：主机读取从机的状态或者数据的通道。
        在某些情况下，我们也可以用3根线的SPI或者2根线的SPI进行通信。比如主机只给从机发送命令，从机不需要回复数据的时候，那MISO就可以不要；而在主机只读取从机的数据，不需要给从机发送指令的时候，那MOSI可以不要；当一个主机一个从机的时候，从机的片选有时可以固定为有效电平而一直处于使能状态，那么SSEL可以不要；此时如果再加上主机只给从机发送数据，那么SSEL和MISO都可以不要；如果主机只读取从机送来的数据，SSEL和MOSI都可以不要。 3线和2线的SPI大家要知道怎么回事，实际使用也是有应用的，但是当我们提及SPI的时候，一般都是指标准SPI，都是指4根线的这种形式。
        SPI通信的主机也是我们的单片机，在读写数据时序的过程中，有四种模式，要了解这四种模式，首先我们得学习一下2个名词。
        CPOL:Clock Polarity，就是时钟的极性。
        时钟的极性是什么概念呢？通信的整个过程分为空闲时刻和通信时刻，SCLK在数据发送之前和之后的空闲状态是高电平那么CPOL=1，如果空闲状态SCLK是低电平，那么CPOL=0。
        CPHA:Clock Phase，就是时钟的相位。
      主机和从机要交换数据，就牵涉到一个问题，即主机在什么时刻输出数据到MOSI上而从机在什么时刻采样这个数据，或者从机在什么时刻输出数据到MISO上而主机什么时刻采样这个数据。同步通信的一个特点就是所有数据的变化和采样都是伴随着时钟沿进行的，也就是说数据总是在时钟的边沿附近变化或被采样。而一个时钟周期必定包含了一个上升沿和一个下降沿，这是周期的定义所决定的，只是这两个沿的先后并无规定。又因为数据从产生的时刻到它的稳定是需要一定时间的，那么，如果主机在上升沿输出数据到MOSI上，从机就只能在下降沿去采样这个数据了。反之如果一方在下降沿输出数据，那么另一方就必须在上升沿采样这个数据。
     CPHA=1，就表示数据的输出是在一个时钟周期的第一个沿上，至于这个沿是上升沿还是下降沿，这要是CPOL的值而定，     CPOL=1那就是下降沿，反之就是上升沿。那么数据的采样自然就是在第二个沿上了。
    CPHA=0，就表示数据的采样是在一个时钟周期的第一个沿上，同样它是什么沿由CPOL决定。那么数据的输出自然就在第二个沿上了。仔细想一下，这里会有一个问题：就是当一帧数据开始传输第一bit时，在第一个时钟沿上就采样该数据了，那么它是在什么时候输出来的呢？有两种情况：一是SSEL使能的边沿，二是上一帧数据的最后一个时钟沿，有时两种情况还会同时生效。
我们以CPOL=1/CPHA=1为例，把时序图画出来给大家看一下，如图15-1所示。

    大家看图15-1所示，当数据未发送时以及发送完毕后，SCK都是高电平，因此CPOL=1。可以看出，在SCK第一个沿的时候，MOSI和MISO会发生变化，同时SCK第二个沿的时候，数据是稳定的，此刻采样数据是合适的，也就是上升沿即一个时钟周期的后沿锁存读取数据，即CPHA=1。注意最后最隐蔽的SSEL片选，一般情况下，这个引脚通常用来决定是哪个从机和主机进行通信。剩余的三种模式，我把图画出来，简化起见把MOSI和MISO合在一起了，大家仔细对照看看研究一下，把所有的理论过程都弄清楚，有利于你对SPI通信的深刻理解，如图15-2所示。

        在时序上，SPI是不是比I2C要简单的多？没有了起始、停止和应答，UART和SPI在通信的时候，只负责通信，不管是否通信成功，而I2C却要通过应答信息来获取通信成功失败的信息，所以相对来说，UART和SPI的时序都要比I2C简单一些。
15.3 实时时钟芯片DS1302        

        本节课的DS1302是个实时时钟芯片，我们可以用单片机写入时间或者读取当前的时间数据，我也会带着大家通过阅读这个芯片的数据手册来学习和掌握这个器件。
        由于IT技术国际化比较强，因此数据手册绝大多数都是英文的，导致很多英语基础不好的同学看到英文手册头就大了。这里我要告诉大家的是，只要精神不退缩，方法总比困难多，很多英语水平不高的，看数据手册照样完全没问题，因为我们的专业词汇也就那么几个，多看几次就认识了。我们现在不是考试，因此大家可以充分利用一些英文翻译软件，翻译过来的中文意思有时候可能不是那么准确，那你就把翻译的内容和英文手册里的一些图表比较参考学习。此外数据手册除了介绍性的说明外，一般还会配相关的图形或者表格，结合起来看也有利于理解手册所表达的意思。这节课我会把DS1302的英文资料尽可能的用比较便于理解的方式给大家表达出来，同学们可以把我的表达和英文手册多做一下对比，尽可能快的慢慢开始学会了解英文手册。
15.3.1 DS1302的特点 

          DS1302是DALLAS(达拉斯)公司出的一款涓流充电时钟芯片，2001年DALLAS被MAXIM(美信)收购，因此我们看到的DS1302的数据手册既有DALLAS的标志，又有MAXIM的标志，大家了解即可。
        DS1302实时时钟芯片广泛应用于电话、传真、便携式仪器等产品领域，他的主要性能指标如下：
            1、DS1302是一个实时时钟芯片，可以提供秒、分、小时、日期、月、年等信息，并且还有软年自动调整的能力，可以               通过配置AM/PM来决定采用24小时格式还是12小时格式。
            2、拥有31字节数据存储RAM。
            3、串行I/O通信方式，相对并行来说比较节省IO口的使用。
            4、DS1302的工作电压比较宽，大概是2.0V~5.5V都可以正常工作。
            5、DS1302这种时钟芯片功耗一般都很低，它在工作电压2.0V的时候，工作电流小于300nA。
            6、DS1302共有8个引脚，有两种封装形式，一种是DIP-8封装，芯片宽度(不含引脚)是300mil，一种是SOP-8封装，有两       种宽度，一种是150mil，一种是208mil。我们看一下DS1302的引脚封装图，如图15-3所示。

      所谓的DIP封装Dual In-line Package，也叫做双列直插式封装技术，就如同我们开发板上的STC89C52RC单片机，就是个典型的DIP封装，当然这个STC89C52RC还有其他的封装，为了方便学习使用，我们采用的是DIP封装。而74HC245、74HC138、24C02、DS1302我们用的都是SOP封装Small Out-Line Package，是一种芯片两侧引出L形引脚的封装技术，大家可以看看开发板上的芯片，了解一下这些常识性知识。
            7、当供电电压是5V的时候，兼容标准的TTL电平标准，这里的意思是，可以完美的和单片机进行通信。
            8、由于DS1302是DS1202的升级版本，所以所有的功能都兼容DS1202。此外DS1302有两个电源输入，一个是主电源， 另外一个是备用电源，比如可以用电池或者大电容，这样是为了保证系统掉电的情况下，我们的时钟还会继续走。如果使用的是充电电池，还可以在正常工作时，设置充电功能，给我们的备用电池进行充电。
       DS1302的特点第二条“拥有31字节数据存储RAM”，这是DS1302额外存在的资源。这31字节的RAM相当于一个存储器一样，我们编写单片机程序的时候，可以把我们想存储的数据存储在DS1302里边，需要的时候读出来，这块功能和EEPROM有点类似，相当于一个掉电丢失数据的“EEPROM”，如果我们的时钟电路加上备用电池，那么这31个字节的RAM就可以替代EEPROM的功能了。这31字节的RAM功能使用很少，所以在这里我不讲了，大家了解即可。
15.3.2 DS1302的硬件信息 

        我们平时所用的不管是单片机，还是其他一些电子器件，根据使用条件的约束，可以分为商业级和工业级，DS1302的购买信息如下图15-4所示。

  我们在订购DS1302的时候，就可以根据图15-4所标识的来跟销售厂家沟通，商业级的工作电压略窄，是0到70度，而工业级可以工作在零下40度到85度。TOP MARK就是指在芯片上印的字。
       DS1302一共有8个引脚，下边要根据引脚分布图和典型电路图来介绍一下每个引脚的功能，如图15-5和图15-6所示。

      1脚VCC2是主电源正极的引脚，2脚X1和3脚X2是晶振输入和输出引脚，4脚GND是负极，5脚CE是使能引脚，接单片机的IO口，6脚I/O是数据传输引脚，接单片机的IO口，7脚SCLK是通信时钟引脚，接单片机的IO口，8脚VCC1是备用电源引脚。考虑到KST-51开发板是一套以学习为目的的板子，加上备用电池对航空运输和携带不方便，所以8脚可以直接悬空，断电后不需要DS1302再运行了，或者是在8脚接一个10uF的电容，经过试验可以运行1分钟左右的时间，如果大家想运行时间再长，可以加大电容的容量，如图15-7和图15-8所示。

        涓流充电功能，课程也不讲了，大家也作为选学即可，我们使用的时候直接用5V电源接一个二极管，在有主电源的情况下给电容充电，在主电源掉电的情况下，这个电容可以给DS1302大约供电1分钟左右，这种电路的最大用处是在电池供电系统中更换主电池的时候保持实时时钟的运行不中断，1分钟的时间对于更换电池足够了。此外，通过我们的使用经验，在DS1302的主电源引脚串联一个1K电阻可以有效的防止电源对DS1302的冲击，R6就是，而R9，R26，R32都是上拉电阻。
我们把8个引脚功能分别介绍，如表15-1所示。

        DS1302的电路一个重点就是时钟电路，它所使用的晶振是一个32.768k的晶振，晶振外部也不需要额外添加其他的电容或者电阻电路了。时钟的精度，首先取决于晶振的精度以及晶振的引脚负载电容。如果晶振不准或者负载电容过大过小，都会导致时钟误差过大。在这一切都搞定后，最终一个考虑因素是晶振的温漂。随着温度的变化，晶振往往精度会发生变化，因此，在实际的系统中，其中一种方法就是经常校对。比如我们所用的电脑的时钟，通常我们会设置一个选项“将计算机设置于internet时间同步”。选中这个选项后，一般可以过一段时间，我们的计算机就会和internet时间校准同步一次。

15.3.3 DS1302寄存器介绍 

         DS1302的一条指令一个字节8位，其中第七位(即最高位)是固定1，这一位如果是0的话，那写进去是无效的。第六位是选择RAM还是CLOCK的，我前边说过，我们这里主要讲CLOCK时钟的使用，它的RAM功能我们不用，所以如果选择CLOCK功能，第六位是0，如果要用RAM，那第六位就是1。从第五到第一位，决定了寄存器的5位地址，而第零位是读写位，如果要写，这一位就是0，如果要读，这一位就是1，如图15-9所示。

        DS1302时钟的寄存器，其中8个和时钟有关的，5位地址分别是00000一直到00111这8个地址，还有一个寄存器的地址是01000，这是涓流充电所用的寄存器，我们这里不讲。在DS1302的数据手册里的地址，直接把第七位、第六位和第零位值给出来了，所以指令就成了80H、81H那些了，最低位是1，那么表示读，最低位是0表示写，如图15-10所示。

        寄存器一：最高位CH是一个时钟停止标志位。如果我们的时钟电路有备用电源部分，上电后，我们要先检测一下这一位，如果这一位是0，那说明我们的时钟在系统掉电后，由于备用电源的供给，时钟是持续正常运行的；如果这一位是1，那么说明我们的时钟在系统掉电后，时钟部分不工作了。若我们的Vcc1悬空或者是电池没电了，当我们下次重新上电时，读取这一位，那这一位就是1，我们可以通过这一位判断时钟在单片机系统掉电后是否持续运行。剩下的7位高3位是秒的十位，低4位是秒的个位，这里注意再提一次，DS1302内部是BCD码，而秒的十位最大是5，所以3个二进制位就够了。
        寄存器二：bit7没意义，剩下的7位高3位是分钟的十位，低4位是分钟的个位。
        寄存器三：bit7是1的话代表是12小时制，是0的话代表是24小时制，bit6固定是0，bit5在12小时制下0代表的是上午，1代表的是下午，在24小时制下和bit4一起代表了小时的十位，低4位代表的是小时的个位。
        寄存器四：高2位固定是0，bit5和bit4是日期的十位，低4位是日期的个位。
        寄存器五：高3位固定是0，bit4是月的十位，低4位是月的个位。
        寄存器六：高5位固定是0，低3位代表了星期。
        寄存器七：高4位代表了年的十位，低4位代表了年的个位。这里特别注意，这里的00到99年指的是2000年到2099年。
       寄存器八：bit7是一个保护位，如果这一位是1，那么是禁止给任何其他的寄存器或者那31个字节的RAM写数据的。因此在写数据之前，这一位必须先写成0。

15.3.4 DS1302通信时序介绍

         DS1302我们前边也有提起过，是三根线，分别是CE、I/O和SCLK，其中CE是使能线，SCLK是时钟线，I/O是数据线。前边我们学过SPI通信，同学们发现没发现，这个DS1302的通信线定义和SPI怎么这么像呢？
事实上，DS1302的通信是SPI的变异种类，它用了SPI的通信时序，但是通信的时候没有完全按照SPI的规则来，下面我们一点点解剖一下DS1302的变异SPI通信方式。
先看一下单字节写入操作，如图15-11所示。

                                                图15-11 DS1302单字节写操作
然后我们在对比一下再对比一下CPOL=0并且CPHA=0的情况下的SPI的操作时序，如图15-12所示。

                                                图15-12 CPOL=0/CPHA=0通信时序
        图15-11和图15-12的通信时序，其中CE和SSEL的使能控制是反的，对于通信写数据，都是在SCK的上升沿，从机进行采样，下降沿的时候，主机发送数据。DS1302的时序里，单片机要预先写一个字节指令，指明要写入的寄存器的地址以及后续的操作是写操作，然后再写入一个字节的数据。
        对于单字节读操作，我就不做对比了，把DS1302的时序图贴出来给大家看一下，如图15-13所示。

        读操作有两处特别注意的地方。第一，DS1302的时序图上的箭头都是针对DS1302来说的，因此读操作的时候，先写第一个字节指令，上升沿的时候DS1302来锁存数据，下降沿我们用单片机发送数据。到了第二个字数据，由于我们这个时序过程相当于CPOL=0/CPHA=0，前沿发送数据，后沿读取数据，第二个字节是DS1302下降沿输出数据，我们的单片机上升沿来读取，因此箭头从DS1302角度来说，出现在了下降沿。
        第二个需要注意的地方就是，我们的单片机没有标准的SPI接口，和I2C一样需要用IO口来模拟通信过程。在读DS1302的时候，理论上SPI是上升沿读取，但是我们的程序是用IO口模拟的，所以数据的读取和时钟沿的变化不可能同时了，必然就有一个先后顺序。通过实验发现，如果先读取IO线上的数据，再拉高SCLK产生上升沿，那么读到的数据一定是正确的，而颠倒顺序后数据就有可能出错。这个问题产生的原因还是在于DS1302的通信协议与标准SPI协议存在的差异造成的，如果是标准SPI的数据线，数据会一直保持到下一个周期的下降沿才会变化，所以读取数据和上升沿的先后顺序就无所谓了；但DS1302的IO线会在时钟上升沿后被DS1302释放，也就是撤销强推挽输出变为弱下拉状态，而此时在51单片机引脚内部上拉的作用下，IO线上的实际电平会慢慢上升，从而导致在上升沿产生后再读取IO数据的话就可能出错。因此这里的程序我们按照先读取IO数据，再拉高SCLK产生上升沿的顺序。

        前边学习了EEPROM的读写，因此DS1302的读写底层时序的程序应该没有什么问题，我就不过多解释了，大家自己认真揣摩一下。

15.3.5 DS1302的BURST模式

     进行产品开发的时候，逻辑的严谨性非常重要，如果一个产品或者程序逻辑上不严谨，就有可能出现功能上的错误。比如我们15.3.4节里的这个程序，我们再回顾一下。当单片机定时器时间到了200ms后，我们连续把DS1302的时间参数的7个字节读了出来。但是不管怎么读，都会有一个时间差，在极端的情况下就会出现这样一种情况：假如我们当前的时间是00:00:59，我们先读秒，读到的秒是59，然后再去读分钟，而就在读完秒到还未开始读分钟的这段时间内，刚好时间进位了，变成了00:01:00这个时间，我们读到的分钟就是01，显示在液晶上就会出现一个00:01:59，这个时间很明显是错误的。出现这个问题的概率极小，但确实实实在在可能存在的。
        为了解决这个问题，芯片厂家肯定要给我们提供一种解决方案，这就是DS1302的突发模式。突发模式也分为RAM突发模式和时钟突发模式，RAM部分我们不讲，我们只看和时钟相关的clock burst mode。
         当我们写指令到DS1302的时候，只要我们将要写的5位地址全部写1，即读操作用0xBF，写操作用0xBE，这样的指令送给DS1302之后，它就会自动识别出来是burst模式，马上把所有的8个字节同时锁存到另外的8个字节的寄存器缓冲区内，这样时钟继续走，而我们读数据是从另外一个缓冲区内读取的。同样的道理，如果我们用burst模式写数据，那么我们也是先写到这个缓冲区内，最终DS1302会把这个缓冲区内的数据一次性送到他的时钟寄存器内。
         要注意的是，不管读写，只要使用时钟的burst模式，则必须一次性读写8个寄存器，要把时钟的寄存器完全读出来或者完全写进去。

15.4 结构体数据类型

        我们在前边学数据类型的时候，主要是字符型、整型、浮点型等基本类型，而学数组的时候，数组的定义要求数组元素必须是想同的数据类型。在实际应用中，有时候还需要把不同类型的数据组成一个有机的整体来处理，这些组合在一个整体中的数据之间还有一定的联系，比如一个学生的姓名、性别、年龄、考试成绩等，这就引入了复合数据类型。复合数据类型主要包含结构体数据类型、共用体数据类型和枚举体数据类型，我们本节主要要学习一下结构体数据类型。
        首先我们回顾一下上面的例程，我们把DS1302的7个字节的时间放到一个缓冲数组中，然后把数组中的值稍作转换显示到液晶上，这里就存在一个小问题，DS1302时间寄存器的定义并不是我们常用的“年月日时分秒”的顺序，而是在中间加了一个字节的“星期几”，而且每当我要用这个时间的时候都要清楚的记得数组的第几个元素表示的是什么，这样一来，一是很容易出错，而是程序的可读性不强。当然你可以把每一个元素都定一个明确的变量名字，这样就不容易出错也易读了，但结构上却显得很零散了。于是，我们就可以用结构体来将这一组彼此相关的数据做一个封装，他们既组成了一个整体，易读不易错。而且可以单独定义其中每一个成员的数据类型，比如说把年份用unsigned int类型，即4个十进制位来表示显然比2位更符合日常习惯，而其它的类型还是可以用2位来表示。结构体本身不是一个基本的数据类型，而是构造的，它每个成员可以是一个基本的数据类型或者是一个构造类型。结构体既然是一种构造而成的数据类型，那么在使用之前必须先定义它。